새로운 이론에 따르면 빠른 입자가 느려지고 무거워지면서 암흑 물질이 형성되었다고 합니다.

다트머스 연구원들의 연구에서는 우주의 모양과 구조를 결정하는 것으로 여겨지는 신비롭고 보이지 않는 물질인 암흑 물질의 기원에 대한 새로운 이론을 제안했습니다.

연구진은 Physical Review Letters 에 발표한 논문에서, 수학적 모델에 따르면 우주 초기에 고에너지 무질량 입자가 충돌하면서 암흑 물질이 형성되었을 수 있다고 보고했습니다. 이 입자들은 힘을 잃고 결합 직후 엄청난 양의 질량을 갖게 되었습니다.

가설적이기는 하지만, 암흑 물질은 가시광선 물질로는 설명할 수 없는 중력 효과를 관측하여 존재하는 것으로 추정됩니다. 과학자들은 우주 전체 질량의 85%가 암흑 물질이라고 추정합니다.

하지만 연구 저자들은 자신들의 이론이 기존 관측 데이터를 사용하여 검증할 수 있기 때문에 독특하다고 기술합니다. 그들이 암흑 물질을 구성하는 것으로 추정하는 극히 낮은 에너지 입자들은 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)에서 고유한 특징을 보일 것입니다. CMB는 빅뱅의 잔재로 우주 전체를 채우고 있습니다.

물리학과 천문학 교수이자 이 논문의 수석 저자인 로버트 콜드웰은 "암흑 물질은 거의 질량이 없는 상대론적 입자, 거의 빛과 같은 형태로 탄생했습니다."라고 말합니다.

"그건 암흑 물질이 생각했던 것과는 완전히 상반됩니다. 은하에 질량을 부여하는 차가운 덩어리죠."라고 콜드웰은 말합니다. "우리 이론은 암흑 물질이 어떻게 빛에서 덩어리로 변했는지 설명하려고 합니다."

과학자들은 137억 년 전 우주의 팽창을 촉발했다고 믿는 빅뱅으로 알려진 에너지 폭발 이후, 뜨겁고 빠르게 움직이는 입자들이 우주를 지배했습니다. 이 입자들은 빛의 기본 에너지, 즉 양자인 무질량 입자인 광자와 유사했습니다.

연구의 첫 번째 저자이자 다트머스 대학교 4학년인 콜드웰과 관밍 리앙에 따르면, 이러한 혼란 속에서 엄청나게 많은 수의 입자가 서로 결합했다고 합니다.

그들은 이러한 무질량 입자들이 자석의 북극과 남극 사이의 인력처럼, 서로 반대되는 회전 방향에 의해 서로 당겨진다는 이론을 세웠습니다.

콜드웰과 리앙은 입자가 식으면서 스핀 불균형으로 인해 에너지가 급격히 감소했다고 말합니다. 마치 증기가 물로 빠르게 식는 것처럼 말입니다. 그 결과 과학자들은 암흑 물질을 구성하는 것으로 추정하는 차갑고 무거운 입자가 탄생했습니다.

량은 "우리 수학적 모델에서 가장 예상치 못한 부분은 고밀도 에너지와 덩어리진 저에너지를 연결하는 에너지 급락이었습니다."라고 말합니다.

"그 단계에서 이 쌍들은 암흑 물질이 될 준비를 하고 있었던 것 같습니다."라고 콜드웰은 말합니다. "이러한 상전이는 오늘날 우리가 관측할 수 있는 풍부한 암흑 물질을 설명하는 데 도움이 됩니다. 이는 초기 우주였던 극도로 에너지가 높은 입자들의 고밀도 클러스터에서 비롯되었습니다."

이 연구는 암흑 물질로의 전이를 시작했을 이론적 입자를 제시합니다. 하지만 과학자들은 전자라고 알려진 아원자 입자도 유사한 전이를 겪을 수 있다는 것을 이미 알고 있다고 콜드웰과 리앙은 말합니다.

저온에서 두 전자는 쿠퍼 쌍이라고 알려진 구조를 형성할 수 있는데, 이는 저항 없이 전기를 전도할 수 있으며 특정 초전도체의 활성 메커니즘입니다. 콜드웰과 리앙은 쿠퍼 쌍의 존재를 자신들의 이론에서 질량이 없는 입자가 암흑 물질로 응축될 수 있었을 것이라는 증거로 제시합니다.

"우리는 특정 상호작용이 에너지를 그렇게 갑자기 감소시킬 수 있는지에 대한 단서를 찾기 위해 초전도성에 주목했습니다."라고 콜드웰은 말합니다. "쿠퍼 쌍은 그러한 메커니즘이 존재함을 증명합니다."

량(Liang)은 이 입자들이 우주에서 에스프레소 두 잔에 해당하는 크기에서 하루 된 오트밀로 변하는 과정이 초기 우주에 비해 현재 우주의 에너지 밀도가 엄청나게 부족한 이유를 설명한다고 말합니다. 과학자들은 빅뱅 이후 우주의 에너지가 외부로 팽창함에 따라 밀도가 감소했다는 것을 알고 있습니다. 그러나 량과 콜드웰의 이론은 질량 밀도의 증가도 설명합니다.

량은 "구조물은 차가운 암흑 물질의 밀도로 인해 질량을 얻지만, 에너지 밀도가 오늘날 우리가 보는 수준에 가깝게 떨어지는 메커니즘도 있어야 합니다."라고 말했습니다.

"우리 이론의 수학적 모델은 매우 단순하기 때문에 정말 아름답습니다. 작동하기 위해 시스템에 많은 것을 추가할 필요가 없습니다."라고 그는 말합니다. "우리가 이미 알고 있는 개념과 타임라인을 기반으로 구축됩니다."

그들의 이론은 입자 쌍이 더 느리고 무거워지면서 차갑고 거의 압력이 없는 상태에 이르렀다고 시사합니다. 이러한 특성으로 인해 CMB에서 두드러지게 나타납니다. CMB는 여러 대규모 관측 프로젝트에서 연구되었으며, 현재 칠레의 시몬스 천문대와 CMB 4단계를 비롯한 여러 실험에서 집중적으로 연구되고 있습니다.

연구자들은 이 프로젝트의 기존 및 미래 데이터를 사용하여 콜드웰과 리앙의 이론을 시험할 수 있다고 말했습니다.

"흥미롭습니다." 콜드웰은 말합니다. "암흑 물질에 대해 생각하고, 어쩌면 식별할 수 있는 새로운 접근법을 제시하고 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250514120236.htm